TW200427163A - Surface light emitting semiconductor laser element - Google Patents

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Yuichi Kuromizu
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Yoshiyuki Tanaka
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200427163 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明闕係一表面發光半導體雷射元件及其製造方法。 較具體，本發明關係一表面發光半導體雷射及以單峰橫向 模式發射雷射光的方法。 【先前技術】 一表面發光半導體雷射元件以垂直基板表面方向發射雷 射光，及一優異光源供許多不同領域應用。 表面發光半導體雷射元件具有一半導體基板，一對上及 下反射器，即是，布拉格折射反射器（DBR)包括複合半導體 具有不同折射率於基板上，& —作用層由_對反射器之間 發光面積構成。 一般，该表面發光半導體雷射元件具有一柱型平台結構 而該上DRB具有-電流限制區域。例如，日本未審^申 請公開案第2001-210908號揭露一表面發光半導體雷射元 件’其包括-圓柱型平台結構，該結構具有一由乾钱刻該 上DBR獲得約30 的平台直徑，及一電流限制區，其位於 由選擇性氧化AIAs層形成的圓柱型平台結構内，以有效注 射電流進入該作用層。 參考上述日本專利申請公開案及圖12，說明包括一柱型 平台結構的傳統表面發光半導體雷射元件。圖12顯示上述 專利申請公開案揭露的傳統表面發光半導體雷射 ^ 構之斷面圖。 如圖12所示，一表面發光半導體雷射元件⑽具有一疊層 91864.doc 200427163 結構’其依順序包括一 η型GaAs基板82、一包括η型半導體 多層之下繞射布拉格反射器（以下稱為「下Dbr」）84、一包 括非摻雜AlGaAs之下包覆層86、一發光層（作用層）88、一 包括非摻雜AlGa As之上包覆層90、一包括非摻雜Ai GaAs之 上繞射布拉格反射器（以下稱「上DBR」）92、及一p型GaAs 覆蓋層94。 下DBR 84具有一半導體多層結構，其包括具有成分梯度 層於其介面上的30·5對之η型Al〇.2Ga〇.8As層及η型 AlojGauAs層。上DBR92具有一半導體多層結構，其包括 具有成分梯度層於其介面上的25對之p型Al〇.2Ga〇.8As層及p 型 Al0.9Ga0.iAs層。 圓同型平台柱96由#刻該覆蓋層94、該上DBR92、該上 包覆層90、該作用層88、該下包覆層86、及該下DBR 84而 形成。 P型AlAs層取代？型A1() 9Ga() lAs層於上dBR 92的複合半 導體層上最接近作用層88之側形成。p型AlAs層含有的A1 係選擇性氧化排除一中心圓形區以提供一氧化A1電流限制 層98 〇 保留在中心圓形區的p型AlAs層作為電流注入區98A，及 該氧化A1電流限制層作為一具有高電阻的絕緣區98B。
SiNj 1〇〇在平台柱96及下DBr 84上形成。SiNj具有一 開口 ’其用於曝露由圓形地移除平台柱96之上表面上的 SiNx膜1〇〇形成的GaAs覆蓋層94。一圓形？側電極（上電 極）1 02在該開口的周圍形成。在^型GaAs基板82的相對表面 91864.doc 200427163 上形成一 η側電極（下電極）104^侧電極102具有一抽取電極 106。 參考圖13Α及13Β，現在說明一種產生表面發光半導體雷 射元件80的方法。圖13Α及13Β為顯示產生該表面發光半導 體雷射元件80的步驟之斷面圖。 如圖13Α所示，該疊層結構係在該η型GaAs基板82上依順 序層疊該下DBR 84、包括非摻雜AlGaAs之該下包覆層86、 該作用層88、包括非摻雜AlGaAs之該上包覆層90、該上DBR 92、及該p型GaAs覆蓋層94而形成。 下DBR 84係由層疊具有成分梯度層於其介面上的30.5對 之η型Al〇.2Ga〇.8As層及η型AlojGao」As層產生，。上DBR92 係由層疊具有成分梯度層於其介面上的25對之p型 Al〇.2Ga〇.8As層及p型 Al0.9Ga0.iAs層產生。 在上DBR 92形成前，p型AlAs層108形成取代p型 AlojGa^As層於上DBR 92最近側或接近作用層88的複合 半導體層上形成。 如圖13B所示，p型GaAs覆蓋層94、上DBR 92、AlAs層 108，上包覆層90、作用層88、及下包覆層86為使用一 SiNx 膜遮罩110部份蝕刻直到下DBR 84的上表面曝光，因而形成 一平台柱96。 疊層結構具有平台柱96在蒸汽下40(^C加熱約25分鐘選 擇性從面向平台柱96中心的側面只氧化p型AlAs層。 如此，形成電流限制層98。電流限制層98具有圓筒型電 流限制區98B包括氧化A1層，及圓形電流注入區98A包括p 91864.doc 200427163 型AlAs層108為未氧化並保留。圓形電流注入區98A由電流 限制區98B圍繞。 在SiNx膜1〇〇於整個表面形成後，圓形地移除平台柱％上 表面的siNxm 1〇〇以曝露？型GaAs覆蓋層94而形成圓形^則 電極。在η型GaAs基板82的相對表面形成11側電極1〇4。結 果，形成傳統表面發光半導體雷射元件8〇。 在表面發光半導體雷射元件中包括柱型平台結構，該電 流限制層98定義一段路徑，其用於注射一電流進入作用層 88。所以，該電流密集地注入圍繞該電流限制區98b的作用 層88，導致有效雷射振盪。 一般，傳統表面發光半導體雷射元件以多模式振盪，即 為一在遠場圖案（FFP)中具有複數個峰值的橫向模式。 如果表面發光半導體雷射元件為透鏡耦合光學波導如通 信場的光纖，則表面發光半導體雷射元件較理想發射單峰 杈向模式光束，即是高斯（Gaussian)分佈模式，以便改善光 學連接效率。 在氧化型電流限制結構中，振盪雷射光的模式數係實質 上與電流限制層的尺寸成比例。所以，如果在電流限制層 的電流注射區減少，便可能發射在作用層的狹窄區内激發 的單模式光。 x 所以，傳統表面發光半導體雷射元件中具有氧化型電流 限制結構，如果包括氧化刈層之電流限制結構（電流注入區） 的尺寸減少，作用層的發光區可以減少及光係選擇性地以 單峰橫向模式振盪。 91864.doc 200427163 為了提供該單峰橫向模式，電流限制結構的尺寸必須小 到如或更小，如IEEE*所報告，光子技術期刊第9卷第 〇號1304頁，由M· Grabherr等著。不過，如果電流限制 、’、。構的尺寸為4 μηι或更小，便發生下列問題。 百先，生產錯誤的公差受限制，因為電流限制結構的尺 寸為很小。很難生產具有一電流限制結構具有小直徑及良 子的了控制性之表面發光半導體雷射元件。同時，晶圓平 面内的均勻度變差，造成產量大幅減少。 第二，和一般裝置相比，電流流經減少一倍大小的電流 注入區（AlAs)層因而元件的電阻變高，即達1〇〇〇或更大。 結果，輸出及電流及發光效率下降。換言之，因為輸出根 據單峰橫向模式，很難提高單峰橫向模式中該表面發光半 導體雷射元件的輸出。 第三，由於增加因電流限制產生的電阻，阻抗會失配。 女果表面發光半導體雷射元件嘗試以高頻率驅動，則該高 頻率性質為明顯衰弱。因此，很難應用該表面發光半導體 雷射元件以高頻率驅動光傳輸，如通信場所要求。 為了表面發光半導體雷射元件的橫向模式控制，曰本未 審專利申請公開案第2002_359432揭露，例如，一種藉由處 理一發光表面而穩定橫向模式的方法。不過，本公開案未 指定單橫向模式之穩定度，而是較高階橫向模式之穩定度。 曰本未審專利申請公開案第2001-24277揭露，提供一反 射刀佈於相對發光表面的反射表面以穩定橫向模式。不 過，因為光注入經過基板。很難應用本發明於表面發光半 91864.doc -10- 200427163 導體雷射元件。另外，因為假設為光子注射型，便很難應 用本發明於氧化型電流限制結構。 曰本未審專利申請公開案第9-246660號揭露一種藉由放 置一包括一圓形繞射格栅於雷射内之透鏡結構而穩定橫向 模式的方法。不過，本方法係複雜的，因為必須重生長一 複合半導體層。且有技術及經濟的兩種問題。 如上述，使用傳統技術，很難提供一單峰橫向模式中發 射雷射光的表面發光半導體雷射元件。 【發明内容】 口此，本發明的一目的為提供一表面發光半導體雷射元 件發射單峰橫向模式甲的穩定雷射光。本發明的另外目的 為提供一表面發光半導體雷射元件發射高階模式中的穩定 雷射光，及其產生方法。 藉由重覆各種研究試驗，本發明者發現表面發光半導體 田射兀件的振盪橫向模式不只由電流限制結構的尺寸影 響，如上述，也由平台柱上作為發光表面的上表面的光學 、U冓衫響。換言之’橫向模式主要根據折射率分佈及電極 之形狀。 ,各種表面發光半導體雷射元件具有不同上表面或經試驗 製仏的平台柱以決定該平台柱之上表面結構及橫向模式之 間的關係。結果’發現橫向模式受一接觸層上電極之結構 及形狀、折射率、及半導體層的膜厚度（即平台柱上表面的 接觸層）的影響非常大。 透過密集的研究，本發明者發現可藉由以下的結構提供 91864.doc 200427163 種用於發射單峰橫向才莫式中雷射光之表面發光半導體雷 射兀件，該結構包括一接觸層，其具有一用於曝露一上 及擴大至正個上DBR之第一開口、一由金屬膜形成的電 極，其具有一位於該第一開口内用於曝露上DBR之第二開 口、及一介於該接觸層及該電極之間的絕緣膜，其具有— 位於該第一開口外用於曝露該接觸層之第三開口，如圖14a 所示。在表面發光半導體雷射元件中，電流注入區的雜質 /辰度尚，及改善此區内電流注入密度的均勻度。
在上述該上DBR的結構中，電極的第二開口的周圍區、 接觸層的第一開口的周圍區、及絕緣膜的第三開口的周圍 區構成一複合折射率分佈結構而複合折射率從該第二開口 之中心向外等向變化。單峰橫向模式可由複合折射率分佈 結構提供。 換曰之’接觸層及電極組成複合折射率分佈結構。 圖14A為一顯示根據本發明的一具體實施例之表面發光 半導體雷射元件的主要部份之示意斷面圖。圖14B為顯示圖 14A所示主要部份的功能之示意斷面圖。 本發明的一觀點為提供一表面發光半導體雷射元件，其 包括： 一基板， 一下反射器，其包括一位於該基板上之半導體多層， 一位於該下反射器上之作用層， 一上反射器’其包括一位於該作用層上之半導體多；， 一複合半導體層，其具有一用於曝露該上反射器及擴大 91864.doc -12- 200427163 至整個上反射器之第一開口，及 一金屬膜，其具有一用於曝露 j、路伹於δ亥弟一開口内的該上 反射器及擴大至整個複合半導體層之第二開口， 其中該金屬膜及該複合半導體層構成-複合折射率分佈 結構而-複合折射率係、從該第二開σ的中心向外變化。 根據該表面發光半導體雷射㈣，在複合折射率分佈結 構中’該複合折射率從該第二開口中心向外等向變化。可 以更簡單提供單峰橫向模式。 本發明的另外觀點為提供一表面發光半導體雷射元件， 其包括： 一基板， 一下反射器，其包括一位於該基板上之半導體多層， 一位於該下反射器上之作用層， 一上反射器’其包括一位於該作用層上之半導體多層， 一複合半導體層，其具有一用於曝露該上反射器及擴大 至整個上反射器之第一開口，及 一金屬膜，其包括一環形膜及一島狀膜，該環形膜具有 一用於曝露位於該第一開口之内的上反射器之第二開口， 該壤形膜擴大至整個複合半導體層，及該島狀膜如島形置 放於該第二開口内的該上反射器上， 其中該金屬膜及該複合半導體層構成一複合折射率分佈 結構而一複合折射率係從該第二開口的中心向外變化。 口 ， 在上述觀點的較佳具體實施例中，該表面發光半導體雷 射發光元件進一步包括一位於該第一開口外之第三開 91864.doc -13 - 200427163 其用於曝露該複合半導體層、一插入該複合半導體層及金 屬膜之間的一絕絕膜，及該金屬膜、該複合半導體層、及 該絕緣膜構成一複合折射率分佈結構而一複合折射率從該 第二開口的中心向外變化。 上述觀點的特定具體實施例中，該金屬膜構成一電極及 該複合半導體層構成一與該金屬膜歐姆接觸的接觸層。在 電流限制層的中心形成的電流注入區位於該第一開口下 面。 根據本發明的一觀點的表面發光半導體雷射元件包括三 成分的電結構：複合半導體層，即接觸層、絕緣層、及電 極，全部位於該上DBR的發光表面上，如圖14A所示。電結 構也提供光學功能。 乂下tx兒明關係光學元件的上DBR表面的結構。如圖mb 所示，該接觸層具有第一開口及該絕緣層具有第三開口。 接觸層擴大成環形及絕緣層擴大成環形，逐步在接觸層上 形成。複合折射率從第一開口的中心，即發光表面中心， 向外變大’因而複合折射率分佈結構作為凹透鏡。 金屬膜製造的電極在發光表面上形成及具有比第一開口 小的第一開口。電極具有一供光通過的孔徑，因而使複合 折射率分佈結構作為凸透鏡及吸收開口，其考慮金屬的複 合折射率。 換言之，根據本發明的一觀點的表面發光半導體雷射元 件中’發光表面上具有該凸透鏡、該吸收開口及該凹透鏡 之一組合光學系統。另外，該組合光學系統位於該表面發 91864.doc 14 200427163 光半導體雷射元件的共振器上並成為共振器的_部份。
在根據本u的_觀點的表面發光半導體雷射元件中， 由電流限制層選擇恭身+ I 、曰、擇田射共振拉式至某些範圍。具有一寬發 光角的局階模式的光在凹透鏡處散射、在吸收開口中吸收 根據本發明—觀點的精神’表面發光半導體雷射元件可 用不同棱向模式控制，即是，高階模式。 根據本發明的另外觀點，島狀金屬膜位於環形金屬膜 内及島狀金屬膜的形狀根據本發明的一觀點的相同精神 而改變以調整複合折射率分佈，而表面發光半導體雷射元 牛可用各種；^向模式控制，即是，如希望的高階模式來控 制。 、二 透鏡tu，如圖14B所示。根據該種機構決定共振 、’、'條件藉由組合電流限制I的孔徑的影響條件， 大部份強制選擇—模式’因而以單峰橫向模式振盈。 複5半‘體層具有包括複數個具有不同雜質濃度層之第 一開口。 各該第一開口位於個別複合半導體層上，其具有從複數 個複合半導體層的上層至下層逐步變小的直徑，及 個別複合半導體層的各雜質濃度從複數個複合半導體層 的上層至下層逐步減少。 般’金屬膜由一電極、及由與該金屬膜歐姆接觸的一 接觸層組成的複合半導體層組成。 車父理想’電流限制層具有一位於中心的非氧化電流注入 區’及位於該第一開口下方的非氧化電流注入區，其具有 91864.doc 200427163 雜質濃度5xl〇18 CM-3及具有均勻電流注入密度。上述組合 光學系統可有效地作為共振器的一部份。 一種生產本發明的表面發光半導體雷射元件的方法，其 包括以下步驟： 依序地於一基板上層疊一下反射器，其包括一半導體多 層、一作用層、一包括一具有一含高A1層的半導體多層之 上反射器、及一接觸層， 蝕刻具有含高A1層的上反射器以形成平台柱， 形成一絕緣膜於平台柱的接觸層上及平台柱的一側， 形成一開口在接觸層上的絕緣膜上以曝露接觸層， 形成-開口於接觸層上，其小於絕緣膜上的開口以曝露 上反射器， 形成由上反射器上的電極及接觸層組成的金屬膜.，及 形成一開口於金屬膜上，其小於接觸膜上的開口以曝露 上反射器， 在該上反射層上形成接觸層的步驟中，形成複數個接觸 層致使各雜質濃度逐步減少或從上層至下層逐漸減少。 在接觸層上形成開口小於絕緣膜上的開口以曝露上反射 :。的V驟中’該等開D形成於各接觸層上致使各開口直徑 利用各雜質濃度逐步或從上層i下層逐漸減少的事實造成 的蝕刻率差逐步或從上層至下層逐漸減少。如此，複合折 射率分佈結構便容易形成。 在該上反射層上形成接㈣的步驟中，形成複數個接觸 層致使各A1成分逐步減少或從上層至下層逐漸減少。 9I864.doc 200427163 π在接觸層上形成開口小於絕緣膜上的開口以曝露上反射 :的步驟中，該等開σ形成於各接觸層上致使各開口直徑 °成刀逐步或彳文上層至下層逐漸減少的事實造成的 蝕刻率差逐步或從上層至下層逐漸減少。如此，複合折射 率为佈結構便容易形成。 根據本&明的—觀點’可藉由形成複合折射率分佈結構 (包括-環形金屬膜及位於一上反射器上的複合半導體 層）’其中一複合折射率從金屬膜開口的中心，即發光表面 中〜向外變化，便可提供用於在單峰橫向模式中於上反射 層上雷射光的表面發光半導體雷射元件。 如果使用根據本發明觀點的表面發光半導體雷射元件， 可以大幅簡化—連接光纖&光學波導的組合光學系統。另 外，本發明的表面發光半導體雷射元件具有比傳統端面輻 =型雷射元件的小發光角，目而本發明的表面發光半導體 田射元件可連接具有高光學連接效率的光纖。 用於在本發明單峰橫向模式中組合光學系統雷射光的表 面發光半導體雷射元件可連接石英單模式纖維，如此用於 傳統表面發光半導體雷射元件便有困難。例如，如果本發 :的表面發光半導體雷射元件用於長波長帶如紅外線13 _ 帶及1.55 /^〇1帶，長距離傳輸（即數十公里）便可實現。 如果根據本發明一觀點之表面發光半導體雷射元件用於 光學配線領域’其中使用該組合光學系統時不能考慮成 本，可能提供高效率的直接連接。如此，根據本發明一觀 點的表面發光半導體雷射元件可以有效使用。 91864.doc 200427163 二據本發'的另外一觀點，可藉由形成複合折射率分佈 ”匕，场金屬膜、-島狀金屬㈣，及-位於上反射 的％形複合半導體層)，而一複合折射率從該環形金屬 所兩開:中心’即發光表面中心向外變化，而提供用於在 一门向拉式中發射雷射光的表面發光半導體雷射 兀件。 根據本發明的另 利應用於各種領域 圖案的感應器領域 外觀點的表面發光半導體雷射元件可有 ，包括醫學、加工、或需要各種光發射 製造本發明的表面發光半導體雷 根據本發明，也提供一 射元件之較佳方法。 .【實施方式】 參考附圖詳細說明本發明。導電率型、薄膜型、及膜厚 :/成方+尺寸及下列具體實施例所引述係用來協 助了解本發明而非用來限制其範圍。 具體貫施例1 圖1顯示根據本發明的表面發光半導體雷射元件的斷 面。圖2為該表面發光半導體雷射元件的俯視圖。圖3Α為顯 示該表面發以導體雷射元件的主要部份之示意斷面圖’。 圖3Β為顯示對應圖3績示主要部份的功能之示意斷面圖。 如圖1所示，一表面發光半導體雷射元件Η)包括-疊層結 構，其依順序包括一η型GaAs基板12、—包括—η型半^體 多層之下繞射布拉格反射器（以下稱「下dbr」）14、一 AluGawAs下包覆層16、_GaAs發光層（作用層）丨8、一 91864.doc -18- 200427163
Al〇.3GaQ7As上包覆層20、一包括p型GaAs覆蓋層之上繞射 布拉格反射器22(以下稱「上DBR」）、及一具有15〇 nm膜厚 度具有雜質濃度5χ101δ CM-3之p型GaAs接觸層24。 下DBR 14具有一總膜厚度約4 μηι的半導體多層結構，其 包括35對的η型A1 As層及η型GaAs層。上DBR 22具有一總膜 厚度約3 /xm的半導體多層結構，其包括25對的p型 Al0.9Ga〇」As層及 p型 Al〇.iGa〇.9As層。 具有一平台直徑40 μηι的圓筒型平台柱26藉由蝕刻該接 觸層24、该上DBR 22、該上包覆層20、該作用層1 8、該下 包覆層16及該下DBR 14而形成，如圖1及2所示。 在上DBR 22的作用層18上，形成一氧化電流限制層28取 代Ρ型AlojGauAs層。AlAs層28具有膜厚度3〇 nm及包括一 位於中心處之直徑12 μχη的圓形AlAs層28A及一位於該圓 形AlAs層28A的周圍處的氧化A1層28B。
AlAs層28A為p型AlAs層取代p型Alo.9Gao.iAs層。氧化A1 層28B藉由選擇性氧化p型AlAs層内的A1而形成。氧化A1層 28B具有南電阻及作為電流限制區的功能，而圓形A〗層 28A具有作為電流注入區功能並具有低於氧化八丨層28b的 電阻。 '在平台柱26上面，接觸層24於中心處具有一内直徑別一以 之第一開口 30。接觸層24為環形以經該第一開口 3〇曝露該 上 DBR 22。 一絕緣層，即是，一Si〇2膜32具有膜厚度300 nm，擴大 涵蓋接觸層24的周圍、平台柱26的側面、及下DBR 14。位 91864.doc 19 200427163 於接觸層24上面的Si〇2膜32具有一内直徑35μια之圓形第三 開口 34，其大於該第一開口 30以曝露接觸層24。 一 Ρ側電極36包括膜厚度500 nm之Ti/Pt/Au金屬疊層膜， 擴大涵蓋上DBR 22、接觸層24、及Si02膜32，及於上DBR 22 上具有一内直徑14/xm之圓形第二開口 38以曝露上DBR 22。 如圖2所示，AlAs層（電流注入區）28A具有比ρ側電極36 的第三開口 38稍小的直徑。AlAs層28A具有直徑12 /m及ρ 側電極具有内直徑14 μιη。 在η型GaAs基板12的相對表面上，形成一包括 AuGe/Ni/Au之 η側電極 40。 圖3示意地顯示上DBR 22的光學元件。在表面發光半導 體雷射元件10中，該接觸層24、該Si02膜32、及該ρ側電極 36位於上DBR22上且具有電及光學功能。 如圖3A所示，接觸層24具有第一開口 3〇擴大成一環形及 Si〇2膜32具有第三開口 34擴大成一環形，其逐步形成於接 觸層24上。所以，複合折射率從第一開口 3〇的中心，即發 光表面中心，向外等向增加。如圖3B所示，提供一複合折 射率分佈結構作為凸透鏡。 口側电極36具有第二開口 3 8，其具有一供光通過的孔徑。 圖3B所示ρ側電極36提供光學功能，其類似具有一吸收 開口 44及&透鏡46的複合折射率分佈結構，因為ρ側電極 3 6的金屬提供複合折射率。 例如，金（Au)具有真實部份折射率〇 2及影像部份（吸收係 數)折射率5.6以用於具有波長〇85叫的雷射光。 91864.doc •20- 200427163 200427163 層24具有折射率 吸收係數大於該 在表面發光半導體雷射元件ίο中，接觸 大於該開口的第一開口 3〇。？側電極36具有 開口的第二開口 3 8。 凸透⑽、吸收開口 44、及凹透鏡42的組合光學系統位 於發先表面上。料，該組合光學系統位於表面發光半導 體雷射元件1〇的共振器上並成為共振器的一部份。 在表面發光半導體雷射元件1〇中，由電流限制層以的電 流限制作用選擇雷射共振模式至某些程度。具有_寬發光 角的高階模式的光由凹透鏡42散射、由吸收開口44吸收， 及由凸透鏡46會聚，如圖3B所示。 藉由組合電流限制層28的孔徑的影響條件，大部份強制 選擇一模式，因而以單峰橫向模式振盪。 如果光學輸出增加，大部份由凸透鏡46、吸收開口料、 及凹透鏡42、及由電流限制層28的孔徑強制選擇一模式， 因而夕桜向模式變為單峰橫向模式，即使光以多橫向模式 振盪。 使用以下所述方法來測量產生的表面發光半導體雷射元 件10的二分之一最高峰處全寬度（FWHM)。如圖4所示， FWHM為5.5。，這為具有一壓縮直徑約4 μιη的傳統表面發光 半導體雷射元件的一半或更小。如此，表面發光半導體雷 射元件10在單峰橫向模式内。圖4為顯示表面發光半導體雷 射元件10的遠場圖案（FFP)之一曲線。在該曲線中，Η及ν 波形係相互垂直的平面上放射光束的密集分佈。 在具體實施例1中，接觸層2 4、S i Ο2膜3 2及ρ側電極3 6係 91864.doc 21 200427163 二二變化的複合折射率以提供-單峰橫向模式。 出H 雷射元件1G能提供大部份同階的光學輸 出如傳統多模式表面發光半導俨+ 闲在本品、 知尤手¥肢田射兀件提供的輸出。 導體雷射元件ig具有相同電結構如傳統多 拉式表面發光半導體雷射元件的結構，表面發光半導體雷 射元件1 〇具有大部份同階的電阻及阻抗。 表面發光半導體雷射元件10以單峰橫向模式發射雷射光 致使表面發光半導體雷射元件10可光學輪合具有高光學連 接效率的實際光纖。 具體實施例2 圖 5B 6C 6D、7E及7F為顯示根據本發明表面發 光半導體雷射元件的製造步驟之斷面圖。 如圖5A所示，一下DBR14、一下包覆層16、一發光層作 用層）18、一上包覆層20、一上DBR22、及一㈣⑸心接觸 層24使用MOCVD或類似方法依序層疊在GaAs基板 上0 在上DBR22ff>成之前，形成一 aias層28具有膜厚度3〇nm 取代上DBR 22的層上面的？型a1q 9GaQ lAs層位於作用層 的最近側。 如圖5B所示，接觸層24、上DBR 22、上包覆層2〇、作用 層18、下包覆層16、及下DBR 14由乾蝕刻方法使用氣基氣 體蝕刻以形成具有平台直徑40 μπι的圓筒型平台柱26。 疊層結構具有平台柱26在蒸汽下加熱400°C以選擇性從 91864.doc -22- 200427163 平台柱26的内側周圍只氧化八丨八5層μ中的Ai，在中心留下 具有直徑12/^的圓形八1八5層28八，及沿八1八5層28人周圍形 成一氧化A1層26B。如此，形成電流限制層。 如圖6C所不’在平台柱26的接觸層24、平台栓26的側面、 及下DBR 14上面形成一义〇2膜32。 如圖6D所示’ |虫刻si〇2膜以提供具有内直徑35 的開口 34 〇 如圖7E所示’蝕刻曝露在開口 34上的接觸層以以提供一 具有内直徑20 /xm的開口 34。 如圖7F所示，在平台柱26上面形成一 Ti/pt/Au金屬疊層膜 39。 另外’敍刻金屬疊層膜3 9以提供開口 3 8，藉以形成p側電 極36。在r^GaAs基板12拋光至預定厚度後，在11型^^基 板12的相對表面上形成n側電極4〇。如此，便可產生圖】所 示的表面發光半導體雷射元件10。 如上述，表面發光半導體雷射元件1〇可用類似傳統表面 發光半導體雷射元件使用方法生產，但接觸層24及？側電極 36的尺寸除外。 具體實施例3 圖8顯示根據本發明的另外表面發光半導體雷射元件的 斷面圖。 卜表面發光半導體雷射元件具有一類似主要部份5〇的 、’、。構，其相似表面發光半導體雷射元件丨〇除了接觸層^及p 側電極54具有不同結構外。 91864.doc 200427163 如圖8所示，接觸層52句技：® · u ^ ^ a 曰以匕秸一層·一上接觸層52A、一中 接觸層52B及-下接觸層52C。個別接觸層的雜質濃度從上 接觸層至下接觸層逐步減少。 下接觸層52C例如呈有一為二垃總思士 g ’ 馬二接觸層中最低的雜質濃度 5χ1〇18，及具有一為三接觸層中最大開口的開口56(：。中接 觸層52BM列如具有雜質濃度1χ1〇19,高於下接觸層但低於 上接觸層，及具有一小於下接觸層的開口56c但大於上接觸 層的開口 56A之開口 56B。上接觸層52A，例如具有一為三 接觸層中最高的雜質濃度3xl〇19,及具有一為三接觸層中最 小開口的開口 56A。 P側電極54也逐步形成致使符合接觸層52A、52B及52c， 及開口 56A、56B及 56C。 根據接觸層52及p側電極54的配置，形成一有效複合折射 率分佈結構以改善光的聚焦，藉以更容易提供單峰橫向模 如上述，形成接觸層52致使三層具有成梯型的個別開 口。特別地係，一蝕刻遮罩58位於上接觸層52A上，其具有 低雜質濃度，如圖9所示。三接觸層52A、52B及52C在相同 I虫刻條件下進行乾蝕刻。因為由於不同雜質濃度而蝕刻率 不同，具有理想尺寸的開口 56A、56B及56C在三接觸層 52A、52B及52C上形成。 或者，形成三接觸層致使A1成分從上接觸層至下接觸層 逐步減少。三接觸層52A、52B及52C係在相同蝕刻條件下 進行乾钱刻。因為由於不同A1成分而姓刻率不同，該等開 91864.doc -24- 200427163 口 56A、56B及56C具有從上接觸層至下接觸層逐步減 直徑並在三接觸層52A、52B及52C上形成。 具體實施例4 圖10A及_為分別顯示根據本發明在較高階模式振 的表面發光半導體雷射元件之斷面圖及平面圖。圖;二為橫 向模式的波形。 ^ 表面發光半導體雷射元件發射^模式（甜甜圈型光發 射圖案)的光。如圖10A及所示，表面發光半導體雷身; ，件包括-主要部份6〇、—包含經—環形發光窗66形^ 一 圓形中央電極64及一環形電極68的？側電極62，如具體實施 例1 〇 表面發光半導體雷射元件具有結構相似於具體實施例i 的表面發光半導體雷射元件i 0但p側電極6 2具有不同結構 除外。 α 接觸層24及ρ側電極62提供相同效果，如在單模式振盪之 表面發光半導體雷射元件1〇所述的複合折射率分佈結構。 抑制低於理想高階模式的單基本模式，同時，抑制高於理 想高階模式的較高模式。 在本具體實施例中，基本模式係在位於發光表面中心由 金製成的圓形中央電極64被吸收及抑制。高於ΤΕ^模式的 模式使用電流限制層28的孔徑（如圖丨）及複合折射率分佈結 構中的接觸層24之凹透鏡散射。如此，光選擇性地以ΤΕ〇ι 模式發射。 只要電流限制層的壓縮直徑設定為切斷橫向模式而非 91864.doc -25- 200427163 ^模式，％模式的選擇性獲得進—步改善。 汝傳統同階模式控制，曰本 2-359432揭露，例如 彳申請公開案第 深产的:盖泪H、 猎由化成具有Μ波長或1/4波長 木度的溝木（或凸凹形狀）於平台 M ^ ^ 爹面而璉擇杈式的方法以 排除任何不要的激發模式或包括需要的模式。 不過雖然某些功能可添加至使用耔_ ^ 使用柱處理方法的平台如 Γ，該等裳置只能-接-處理，如此減少生產效 率及溝渠的深度即是干擾光學路徑差須準確裝 =成_刻。所以，那種傳統半導體雷射不能用 = 艮據本發明，雷射共振模式可藉由提供共振器最 、知的稷5折射率分佈結構加以選擇。另外，複合折射率 为佈結構可藉由調整平台、絕緣模，或—般生產方法的電 虽上的複合丰導體層的折射率或形狀加以提供而不需添加 任何步驟。複合折射率分佈結構的個別部份可以生產並且 有-般表面發光半導體雷射元件需要的精密度。不需要高 精密度的生產方法。目前可用的_般方法的精密度足以Z 產根據本發明的複合折射率分佈結構。所以，複合折射率 分佈結構可以生產並具有良好的再生率。 比較具體貧施例 圖11為顯示-比較表面發光半導體雷射元件的結構之斷 面圖。 該比較表面發光半導體雷射元件包括，如主要部份70， 一散射結構隨意散射光至平台的上表面，及一具有細凸凹 91864.doc -26- 200427163 表面的接觸層72。 在接觸層72的凸凹表面處的散射影響振盪模式。一些振 盪模式係隨意的。從表面發射的光包括許多模式，造成一 隨意光發射圖案。 【圖式簡單說明】 、圖1為顯示根據本發明具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的結構之斷面圖； 圖2為圖丨的表面發光半導體雷射元件的俯視圖； 圖3A為顯示根據本發明的第-具體實施例的表面發光_ _ 導體雷射元件的主要部份之示意斷面圖； 圖3B為顯示對應圖从所示主要部份的功能之示 圖； 圖4為顯示根據本發明的第一具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的遠場圖案(FFP)之一曲線； 圖5A為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 圖56為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 圖6C為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 圖6D為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 圖7E為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 9l864.doc , -27- 200427163 面發光半 面發光半 圖7F為顯不根據本發明的第二具體實施例的表 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 圖8為顯示根據本發明的第三具體實施例的表 導體雷射元件的結構之斷面圖； 圖9為顯示根據本發明的第三具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的結構之斷面圖；
圖10 A為顯示根據本發明的第四具體實施例的表面發光 半導體雷射元件的結構之斷面圖； X 圖10B為顯示根據本發明的第四具體實施例的表面發光 半導體雷射元件的結構之平面圖； 圖10C為根據發明第四具體實施例橫向模式的波形； 圖11為顯示比較例子中表面發光半導體雷射元件的結構 之斷面圖； 圖12為顯示傳統表面發光半導體雷射元件的結構之斷面 圖； 圖13A為顯示傳統表面發光半導體雷射元件的製造步驟 之斷面圖； 圖13B為顯示傳統表面發光半導體雷射元件的製造步驟 之斷面圖； 圖14A為顯示根據本發明的一具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的主要部份之示意斷面圖； 圖14B為顯示圖14A所示主要部份的功能之示意斷面圖。 【主要元件符號說明】 10 表面發光半導體雷射元件 91864.doc -28- 200427163
12 14 16 18 20 22 24 26 28 28A 28B 30 32 34 36 38 39 40 42 44 46 50 52 52A 基板 下繞射布拉格反射器（下DBR) 下包覆層 發光層（作用層） 上包覆層 上繞射布拉格反射器（上DBR) 接觸層 圓筒型平台柱 氧化電流限制層 圓形AlAs層 氧化A1層 第一開口 二氧化矽膜（Si02膜） 第三開口 p側電極 第二開口 金屬疊層膜 η側電極 凹透鏡 吸收開口 凸透鏡 主要部份 接觸層 上接觸層 91864.doc -29- 200427163 52B 中接觸層 52C 下接觸層 54 p側電極 56A 開口 56B 開口 56C 開口 58 1虫刻遮罩 60 主要部份 62 p側電極 64 環形中央電極 66 環形發光窗 68 壞形電極 70 主要部份 72 接觸層 80 表面發光半導體雷射元件 82 基板 84 下繞射布拉格反射器（下DBR) 86 下包覆層 88 發光層（作用層） 90 上包覆層 92 上繞射布拉格反射器（上DBR) 94 覆蓋層 96 圓筒型平台柱 98 氧化電流限制層 91864.doc -30- 200427163 98A 電流注區 98B 絕緣區 100 SiNx 膜 102 p側電極 104 η側電極 106 抽取電極 108 AlAs 層 110 SiNx膜遮罩 91864.doc -31 -

Claims (1)

  1. 200427163 十、申請專利範圍： 1. 一種表面發光半導體雷射元件，其包括： 一基板， 一下反射益，其包括一位於該基板上之半導體多層， 一作用層，其位於該下反射器上， 一上反射器，其包括一位於該作用層上之半導體多層， 一複合半導體層，其具有一用於曝露該上反射器及擴 大至整個上反射器之第一開口，及 一金屬膜’其具有一用於曝露位於該第一開口内的該 上反射器及擴大至整個複合半導體層之第二開口， 其中該金屬膜及該複合半導體層構成一複合折射率分 佈結構而一複合折射率係從該第二開口的中心向外變 化。 2·如申請專利範圍第1項之表面發光半導體雷射元件，其中 在该複合折射率分佈結構中，該複合折射率係從該第二 開口的中心向外等向變化。 3· —種表面發光半導體雷射元件，其包括： 一基板， 一下反射器，其包括一位於該基板上之半導體多層， 一作用層，其位於該下反射器上， 一上反射器，其包括一位於該作用層上之半導體多層， 一複合半導體層，其具有一用於曝露該上反射器及擴 大至整個上反射器之第一開口，及 一金屬膜’其包括一環形膜及一島狀膜，該環形膜具 91864.doc 200427163 有用於曝路位於該第一開口之内的上反射器之第二開 ϋ ’該環形膜擴大至整個複合半導體@，及言亥^狀膜如 島形置放於該第二開口内的上反射器上面， 其中該金屬膜及該複合半導體層構成一複合折射率分 佈結構而一複合折射率係從該第二開口的中心向外變 化° 4.如申請專利範圍第丨項之表面發光半導體雷射元件，進一 步包括一絕緣膜，其具有一位於該第一開口的外面用於 曝露該複合半導體層之第三開口，且插入該複合半導體 籲 層及該金屬膜之間，其中該金屬膜、該複合半導體層、 及該絕緣膜構成一複合折射率分佈結構而一複合折射率 係從該第二開口的中心向外變化。 5·如申請專利範圍第3項之表面發光半導體雷射元件，進一 步包括一絕緣膜，其具有一位於該第一開口的外面用於 曝路該複合半導體層之第三開口，且插入該複合半導體 層及該金屬膜之間，其中該金屬膜、該複合半導體層、 0 及該絕緣膜構成一複合折射率分佈結構而一複合折射率 係從該第二開口的中心向外變化。 6.如申請專利範圍第1項之表面發光半導體雷射元件，其中 該複合半導體層具有包括複數個具有不同雜質濃度層之 該第一開口， 該等第一開口之各開口位於個別複合半導體層上，其 具有從複數個複合半導體層的上層至下層逐步變小的直 徑，及 91864.doc 7· 個別禝合半導體層的該 數個複人寺"隹貝，辰度之各雜質濃度從複 數個複。+導體層的上層至下層逐步減少。 如申請專利範圍第 、 罘員之表面發光半導體雷射元豆 該複合半導體層具有肖 ^ /、 有匕括钹數個具有不同雜質濃度層之 该弟一開口， β亥等第開口之各第-開口位於個別複合半導體層 上’其具有從複數個複合半導體層的上層至下層逐步^ 小的直徑，及 8. 個別複合半導體層的該等雜質濃度之各雜質濃度從複 數個複合半導體層的上層至下層逐步減少。 如申請專利範圍第1項之表面發光半導體雷射元件，其中 該金屬膜包括一電極 及該複合半導體層包括一 屬膜歐姆接觸之接觸層。 與該金 9·如申請專利範圍第丨項之表面發光半導體雷射元件，進一 步包括一鄰近該上反射器或該下反射器上之該作用層的 電流限制層，並形成為一平台柱。 10·如申請專利範圍第1項之表面發光半導體雷射元件，其中 一電流限制層於中心處具有一非氧化電流注入區，及其 中該非氧化電流注入區係位於該第一開口下方，且具有 雜質濃度5x1ο18 CNT3及具有均勻電流注入密度。 11 · 一種生產表面發光半導體雷射元件的方法，其包括以下 步驟： 依序地於一基板上層疊一之包括一半導體多層下反射 器、一作用層、一上反射器、及一接觸層，該上反射器 91864.doc 200427163 包括一具有一含高A1層的半導體多層， 蝕刻具有含鬲A1層的該上反射器以形成平台柱， 形成一絕緣膜於該平台柱的接觸層上及該平台柱的一 側， 形成一開口在該接觸層上面的絕緣膜上以曝露該接觸 層， 形成一開口於該接觸層上，其小於該絕緣膜上的開口 以曝露該上反射器， 形成一金屬膜，其係由該上反射器上的一電極及該接 觸層組成，及 形成一開口於該金屬膜上，其小於該接觸膜上的開口 以曝露該上反射器。 12. 如申請專利範圍第丨丨項之生產表面發光半導體雷射元件 的方法，進一步包括以下步驟： 在形成該平台柱的步驟後，於蒸汽下氧化具有平台柱 的含高A1的層以留一具有含高八丨的中央區作為包括一具 有非氧化含南A1的層之第一電流注入區，及 形成一電流限制區，其包括一圍繞該電流注入區之氧 化A1層。 13. 如申請專利範圍第11項之生產表面發光半導體雷射元件 的方法，其中於該上反射層上形成該接觸層的步驟中， 形成複數個接觸層致使各雜質濃度從上層至下層逐步或 逐漸減少，及其中在該接觸層上形成開口小於該絕緣膜 上的開口以曝露該上反射器的步驟中，形成該等開口於 91864.doc 200427163 各接觸層上致使藉由利用各雜質濃度逐步減少或從上層 至下層逐漸減少造成的蝕刻率差的事實使各開口直徑逐 步減少或從上層至下層逐漸減少。 14. 如申請專利範圍第11項之生產表面發光半導體雷射元件 的方法，其中於該上反射層上形成該接觸層的步驟中， 形成複數個接觸層致使各A1成分逐步減少或從上層至下 層逐漸減少’及其中在該接觸層上形成開Π小於該絕緣 胰上的開口以曝露該上反射器的步驟中，形成該等開口 於各接觸層上致使藉由利用各八丨成分逐步減少或從上層 至下層逐漸減少造成的蝕刻率差的事實使各開口直㈣ v減少或從上層至下層逐漸減少。 91864.doc
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Families Citing this family (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3838218B2 (ja) 2003-05-19 2006-10-25 ソニー株式会社 面発光型半導体レーザ素子及びその製造方法
US6979582B2 (en) * 2003-09-22 2005-12-27 National Chung-Hsing University Vertical-cavity surface emitting laser diode and method for producing the same
US7558307B2 (en) * 2004-02-16 2009-07-07 Sharp Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device, semiconductor laser device manufacturing method, optical disk apparatus and optical transmission system
JP3876895B2 (ja) * 2004-06-04 2007-02-07 ソニー株式会社 面発光半導体レーザ
KR100723232B1 (ko) * 2005-12-28 2007-05-29 삼성전기주식회사 단면 발광형 ｌｅｄ 및 이를 이용한 광원 어셈블리
JP4997811B2 (ja) * 2006-03-31 2012-08-08 大日本印刷株式会社 モールド及びモールドの作製方法
JP4985954B2 (ja) * 2006-06-27 2012-07-25 セイコーエプソン株式会社 面発光型半導体レーザ
JP4973940B2 (ja) * 2007-10-15 2012-07-11 ソニー株式会社 半導体発光素子の製造方法
JP4582237B2 (ja) * 2008-01-10 2010-11-17 ソニー株式会社 面発光型半導体レーザ
US8077752B2 (en) * 2008-01-10 2011-12-13 Sony Corporation Vertical cavity surface emitting laser
JP5187507B2 (ja) * 2008-05-02 2013-04-24 株式会社リコー 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置、画像形成装置、光伝送モジュール及び光伝送システム
CN102983498B (zh) 2008-05-02 2015-04-22 株式会社理光 激光器件及具有激光器件的阵列、设备、模块和系统
JP5669364B2 (ja) * 2008-06-11 2015-02-12 株式会社リコー 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置、及び画像形成装置
CN102667544B (zh) 2009-07-17 2015-09-02 惠普开发有限公司 具有聚焦能力的非周期性光栅反射镜及其制作方法
JP5510899B2 (ja) * 2009-09-18 2014-06-04 株式会社リコー 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置、及び画像形成装置
CN102483476B (zh) 2009-09-23 2014-11-26 惠普发展公司，有限责任合伙企业 基于衍射光栅的光学装置
US8963178B2 (en) 2009-11-13 2015-02-24 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting diode chip having distributed bragg reflector and method of fabricating the same
WO2011093893A1 (en) 2010-01-29 2011-08-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical devices based on non-periodic sub-wavelength gratings
CN102714395B (zh) 2010-01-29 2015-06-10 惠普发展公司，有限责任合伙企业 具有非周期性光栅的垂直腔表面发射激光器
US8842363B2 (en) * 2010-01-29 2014-09-23 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Dynamically varying an optical characteristic of light by a sub-wavelength grating
US8576890B2 (en) 2010-04-26 2013-11-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Vertical-cavity surface-emitting laser
EP2599133A2 (en) * 2010-07-28 2013-06-05 Seoul Opto Device Co., Ltd. Light emitting diode having distributed bragg reflector
US8369664B2 (en) 2010-07-30 2013-02-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical apparatus for forming a tunable cavity
WO2012057788A1 (en) 2010-10-29 2012-05-03 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Small-mode-volume, vertical-cavity, surface-emitting laser
JP5598297B2 (ja) * 2010-12-08 2014-10-01 住友電気工業株式会社 半導体光変調素子及びその製造方法
JP5743520B2 (ja) * 2010-12-10 2015-07-01 キヤノン株式会社 面発光レーザ及び画像形成装置
EP2533380B8 (en) * 2011-06-06 2017-08-30 Mellanox Technologies, Ltd. High speed lasing device
JP6035736B2 (ja) 2011-10-26 2016-11-30 ソニー株式会社 発光素子およびその製造方法、並びに発光装置
KR101272833B1 (ko) * 2012-02-03 2013-06-11 광주과학기술원 실리콘 ｄｂｒ 구조가 집적된 광 소자 및 그 제조방법
JP6220864B2 (ja) * 2012-05-08 2017-10-25 メイコム テクノロジー ソリューションズ ホールディングス インコーポレイテッド ビーム形状の改良を伴うレーザ
CN104078844A (zh) * 2013-03-29 2014-10-01 新科实业有限公司 具有窄激光发射角度的多模垂直腔面发射激光器
DE102013216527A1 (de) * 2013-08-21 2015-02-26 Osram Opto Semiconductors Gmbh Laserbauelement und Verfahren zum Herstellen eines Laserbauelements
KR102435443B1 (ko) * 2015-04-17 2022-08-25 삼성디스플레이 주식회사 거울형 표시 장치
KR101641654B1 (ko) * 2015-05-13 2016-07-22 한국기계연구원 반도체 소자 및 반도체 소자 제조방법
JP6918540B2 (ja) * 2017-03-27 2021-08-11 スタンレー電気株式会社 発光装置
CN106972071B (zh) * 2017-04-26 2019-03-01 深圳市弘正光电有限公司 螺旋盘形分布功能层的光电探测器
CN111771312A (zh) * 2017-12-28 2020-10-13 普林斯顿光电子公司 包括窄光束发散半导体源的结构化光投射系统
US10283935B1 (en) * 2018-01-03 2019-05-07 Xiamen Sanan Integrated Circuit Co., Ltd. Consumer semiconductor laser
FR3078834B1 (fr) * 2018-03-08 2020-03-27 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif d’emission lumineuse comportant au moins un vcsel et une lentille de diffusion
US11942762B2 (en) * 2018-04-04 2024-03-26 Suzhou Lekin Semiconductor Co., Ltd. Surface-emitting laser device and light emitting device including the same
KR102551471B1 (ko) * 2018-07-27 2023-07-06 쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치
US11121299B2 (en) * 2018-10-31 2021-09-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Semiconductor device and method
US10935720B2 (en) 2019-04-29 2021-03-02 Ii-Vi Delaware, Inc. Laser beam product parameter adjustments
US11362486B2 (en) * 2019-05-06 2022-06-14 Mellanox Technologies, Ltd. High speed high bandwidth vertical-cavity surface-emitting laser with controlled overshoot
US11165222B2 (en) 2019-05-06 2021-11-02 Mellanox Technologies, Ltd. Optically matched vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) with passivation
CN112234434A (zh) * 2019-07-15 2021-01-15 太平洋(聊城)光电科技股份有限公司 微透镜芯片
CN110299669B (zh) * 2019-08-26 2019-12-17 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 具有特殊金属连接层的垂直腔面发射激光器及制备方法
CN111313236B (zh) * 2020-05-11 2020-10-16 北京金太光芯科技有限公司 具有复合钝化层的垂直腔表面发射激光器和其制作方法

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US26308A (en) * 1859-11-29 treadwell
US4922320A (en) * 1985-03-11 1990-05-01 Texas Instruments Incorporated Integrated circuit metallization with reduced electromigration
US4780748A (en) * 1986-06-06 1988-10-25 American Telephone & Telegraph Company, At&T Bell Laboratories Field-effect transistor having a delta-doped ohmic contact
US5239189A (en) * 1991-06-07 1993-08-24 Eastman Kodak Company Integrated light emitting and light detecting device
US5892784A (en) * 1994-10-27 1999-04-06 Hewlett-Packard Company N-drive p-common surface emitting laser fabricated on n+ substrate
JPH08242037A (ja) 1995-03-03 1996-09-17 Nec Corp 面型半導体発光素子
US5595751A (en) * 1995-03-06 1997-01-21 Ethicon, Inc. Absorbable polyoxaesters containing amines and/or amido groups
US5861636A (en) * 1995-04-11 1999-01-19 Nec Corporation Surface emitting visible light emiting diode having ring-shaped electrode
US5594751A (en) * 1995-06-26 1997-01-14 Optical Concepts, Inc. Current-apertured vertical cavity laser
JP2783210B2 (ja) * 1995-09-04 1998-08-06 日本電気株式会社 面発光型ダイオード
JPH09246660A (ja) 1996-03-07 1997-09-19 Matsushita Electron Corp 面発光半導体レーザ装置
JPH09260763A (ja) * 1996-03-18 1997-10-03 Olympus Optical Co Ltd 半導体レーザ装置
US5838715A (en) 1996-06-20 1998-11-17 Hewlett-Packard Company High intensity single-mode VCSELs
JP3783411B2 (ja) * 1997-08-15 2006-06-07 富士ゼロックス株式会社 表面発光型半導体レーザ
JP3551718B2 (ja) * 1997-08-18 2004-08-11 富士ゼロックス株式会社 面発光型半導体レーザ
JP3697903B2 (ja) * 1998-07-06 2005-09-21 富士ゼロックス株式会社 面発光レーザおよび面発光レーザアレイ
WO2000060710A1 (fr) * 1999-03-31 2000-10-12 Japan As Represented By Director General Of Agency Of Industrial Science And Technology Amplificateur optique de surface et son procede de production
JP4631103B2 (ja) * 1999-05-19 2011-02-16 ソニー株式会社 半導体装置およびその製造方法
JP3837969B2 (ja) 1999-07-06 2006-10-25 富士ゼロックス株式会社 面発光型半導体レーザとその製造方法
JP4168202B2 (ja) 1999-11-30 2008-10-22 株式会社リコー 垂直空洞半導体面発光レーザ素子および該レーザ素子を用いた光学システム
JP3566902B2 (ja) 1999-09-13 2004-09-15 古河電気工業株式会社 面発光半導体レーザ素子
EP1130720B1 (en) * 1999-09-13 2005-04-06 The Furukawa Electric Co., Ltd. Surface-emission semiconductor laser
KR100319752B1 (ko) * 1999-11-13 2002-01-09 오길록 편광조절 표면방출 레이저소자 및 그 제조방법
JP2001210908A (ja) 1999-11-16 2001-08-03 Furukawa Electric Co Ltd:The 面発光半導体レーザ素子
US6597715B2 (en) * 2000-03-01 2003-07-22 Fuji Xerox Co., Ltd. Semiconductor laser, optical head, optical disk apparatus and semiconductor laser manufacturing method
NO20001360D0 (no) * 2000-03-15 2000-03-15 Thin Film Electronics Asa Vertikale elektriske forbindelser i stabel
JP2002208755A (ja) * 2000-11-13 2002-07-26 Fuji Xerox Co Ltd 面発光型半導体レーザ
US6529541B1 (en) * 2000-11-13 2003-03-04 Fuji Xerox Co., Ltd. Surface emitting semiconductor laser
US6905900B1 (en) * 2000-11-28 2005-06-14 Finisar Corporation Versatile method and system for single mode VCSELs
US6664639B2 (en) * 2000-12-22 2003-12-16 Matrix Semiconductor, Inc. Contact and via structure and method of fabrication
JP4621393B2 (ja) 2001-03-27 2011-01-26 富士ゼロックス株式会社 表面発光型半導体レーザ及び表面発光型半導体レーザの製造方法
JP3849758B2 (ja) * 2001-04-12 2006-11-22 ソニー株式会社 半導体レーザ素子
EP1265327B1 (en) * 2001-06-02 2007-11-07 Seoul National University Industry Foundation Vertical cavity surface emitting laser
JP2003115634A (ja) * 2001-08-02 2003-04-18 Furukawa Electric Co Ltd:The 面発光レーザ素子
GB2379797A (en) * 2001-09-15 2003-03-19 Zarlink Semiconductor Ab Surface Emitting Laser
JP4066654B2 (ja) * 2001-12-19 2008-03-26 富士ゼロックス株式会社 面発光型半導体レーザ装置及びその製造方法
JP3729263B2 (ja) * 2002-09-25 2005-12-21 セイコーエプソン株式会社 面発光型半導体レーザおよびその製造方法、光モジュール、光伝達装置
JP4590820B2 (ja) * 2002-12-16 2010-12-01 富士ゼロックス株式会社 面発光型半導体レーザおよびその製造方法
JP2004288674A (ja) * 2003-03-19 2004-10-14 Fuji Xerox Co Ltd 面発光型半導体レーザおよびそれを用いた光通信システム
JP4124017B2 (ja) * 2003-05-12 2008-07-23 ソニー株式会社 面発光型半導体レーザ素子の製造方法
JP3838218B2 (ja) * 2003-05-19 2006-10-25 ソニー株式会社 面発光型半導体レーザ素子及びその製造方法
JP5527714B2 (ja) * 2009-11-18 2014-06-25 株式会社リコー 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置及び画像形成装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20180341076A1 (en) 2018-11-29
US7684453B2 (en) 2010-03-23
US20050013334A1 (en) 2005-01-20
CN100372199C (zh) 2008-02-27
US20180059344A1 (en) 2018-03-01
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